아키텍처
2009년부터 시판된 “Panamera”는 스포츠카 제조업체 역사상 최초로 4도어 GT(Gran Turismo) 개념을 정통 스포츠카 디자인에 통합한 양산 차량이다. 엔진 옵션은 3.6리터 6기통 엔진에서 4.8리터 8기통 터보 엔진에 이르기까지 다양하며, 출력 범위는 220 kW에서 368 kW에 이른다. 제공되는 기능에는 특정 모델 버전 및 옵션에 따라 풀타임 4륜구동 주행, 듀얼 클러치 변속기, 현재 개발 중인 하이브리드 주행 등이 포함될 수 있다.
Panamera의 전자장치 아키텍처는 6개의 CAN 네트워크에 분산된 30개 이상의 CAN ECU를 기반으로 하며, 총 25개의 LIN 슬레이브가 있는 12개의 LIN 네트워크로 보완된다. MOST 버스는 인포테인먼트 시스템을 지원한다. 진단, 편의 시스템, HMI(Human Machine Interface), 파워트레인, 새시 및 충돌 안전을 위한 6개의 CAN 버스가 최대 2개의 LIN 버스와 함께 모두 중앙 게이트웨이 ECU로 연결된다(그림 1). 게이트웨이는 차량의 다양한 네트워크를 상호 연결하고 네트워크 전반에 걸쳐 빠른 데이터 교환이 이뤄질 수 있도록 한다.

지능적인 게이트웨이 기능
자동차에서는 네트워크 간에 정보를 최대한 신속하고 지능적으로 전송할 수 있어야 하며, 이를 위해서는 네트워크 버스의 각기 다른 대역폭을 고려해야 한다. 일반적으로 게이트웨이는 고속 CAN 버스의 수신측에 10 ms마다 주기적으로 도착하는 메시지를 대역폭이 작은 상대 네트워크 쪽으로 그만큼 빠른 속도로 라우팅 할 수 없다. 따라서 이러한 경우에는 100 ms마다 최신 값만 저속 버스로 전송해야 한다는 데이터 복사 규칙을 세울 수 있다. 메시지를 억제하면 데이터 용량을 줄이고 저속 버스에 맞게 조정할 수 있다. 반대로 저속에서 고속으로 전송되는 경우, 게이트웨이는 전송 섹션에서 메시지를 반복해야 한다. 즉, 실제로 수신되는 것보다 자주 메시지를 보내는 것이다. 반면에 다른 메시지는 억제되거나 중복되는 일 없이 1:1로 최대한 신속하게 라우팅 해야 한다. 이를 위해 게이트웨이에는 각 메시지를 라우팅하기 위한 라우팅 규칙이 설정되며, 이러한 규칙에는 소스 및 상대 네트워크의 정보와 데이터 복사 규칙이 포함된다.
차량 내 게이트웨이 ECU를 통합하는 작업은 자동차 제조업체에서 진행한다. 네트워크와 ECU가 함께 원활하게 작동할 수 있도록 하려면 게이트웨이에 작동 에러가 발생하지 않아야 한다. 따라서 라우팅 동작 검증 시 다양한 주행 상황에서 수많은 테스트를 실행하고 세부적인 분석을 수행하는 일이 매우 중요하다. 지금까지 실험실 테스트에서는 입력 신호의 자극에 따라 모든 게이트웨이의 라우팅 규칙을 순차적으로 확인하는 데 중점을 두었으며, 출력 버스에서 예상 결과를 라우팅 알고리즘과 대조했다. 하지만 포르쉐에서는 과전압 및 전압 부족, 다양한 온도 프로파일과 같은 다양한 물리적 조건 하에서도 이러한 테스트를 수행한다.

실험실 테스트의 한계
특수 테스트 또는 HIL 시스템을 통해 실험실에서 생성되는 테스트 데이터가 테스트의 기본 기능을 하는 것이 사실이지만 산발적인 에러는 실제 스트레스 시나리오를 적용하거나 또는 모든 버스 시스템과 ECU가 상호 작용할 때만 드러나는 경우가 많다. 특히 버스 부하가 높고 특정 이벤트가 동시에 발생하는 상황에서는 복잡한 에러가 나타날 수 있다.
Panamera의 중앙 게이트웨이는 3,000개 이상의 서로 다른 CAN 신호를 6개의 CAN 버스를 통해 순식간에 라우팅 한다. 이 과정에서 게이트웨이는 25가지의 각기 다른 전송 유형을 고려해야 한다. 테스트 차량을 수동으로 디버깅 하기에는 많은 시간이 소요됨에 따라 포르쉐의 개발자들은 Panamera 개발 시 자동차 네트워크의 추적을 보다 효율적으로 평가할 수 있는 방법을 모색했다. 새로운 시스템의 주요 요구사항은 실제 시험 주행중 실시간으로 게이트웨이 데이터 트래픽을 검증할 수 있어야 한다는 것이었다. 하지만 툴 생산업체 및 테스트 전문가를 통해 초기 시장 조사를 수행한 결과 알려진 적합한 툴이나 테스트 시스템이 없음을 확인하게 되었다.

Porsche Echtzeit (‘real-time’) TRace Analyser
포르쉐는 이를 해결하기 위해 벡터(Vector)와 협력해 PETRA라는 툴을 개발했다. 테스트 및 시뮬레이션 소프트웨어인 CANoe는 PETRA의 토대 역할을 한다. 이 툴은 ECU 테스트에 최적화되어 있으며, 다양한 설정을 통해 버스 시뮬레이션은 물론 자동 테스트 시퀀스를 구현할 수 있다. 뿐만 아니라 로깅된 네트워크 통신을 재생할 수 있는 기능과 상세한 테스트 보고서를 생성할 수 있는 기능도 갖추고 있다. CANoe에 포함된 TFS(Test Feature Set)는 자동 테스트 시퀀스를 구현할 수 있도록CAPL(Communication Access Programming Language) 스크립트 언어로 작성된 테스트 기능을 제공한다. CAPL은 테스트를 구성하는 데 있어 C와 유사한 구문을 사용하며, 메시지 수신 등의 버스 관련 이벤트에 반응하도록 하는 특수한 기능을 인식한다. 테스트는 미리 정의된 테스트 기능과 제어 기능을 사용해 XML 파일로 설정하고 파라미터를 지정할 수 있다. CANoe에서 전체 테스트 실행은 테스트 모듈로 나타난다.








벡터와 포르쉐의 계약 프로젝트로 개발된 PETRA는 CANoe TFS의 표준 기능 및 Panamera 중앙 게이트웨이 ECU의 CAN 게이트웨이 기능을 검증하는 역할을 한다(그림 2). PETRA는 게이트웨이 개정 단계를 검증할 수 있도록 CANoe 테스트 모듈 구성 요소를 생성하는데, 이러한 구성 요소는 시험 주행 시는 물론 데이터 기록을 오프라인에서 평가할 때에도 사용할 수 있다. 여기서는 다중 버스의 메시지에 대해 라우팅과 복사 규칙을 동시에 평가할 수 있으므로 개별 테스트에서 특정 메시지에 집중할 수 있다. 포르쉐 엔지니어는 처음부터 광범위한 필터 옵션을 요구했으며 게이트웨이 개발 엔지니어는 특별히 모든 메시지를 전체적으로 확인할 수 있고 간단한 구성으로 개별 라우팅 관계를 분석할 수 있는 시스템을 원했다. 특히, 개발 엔지니어는 극히 예외적인 상황을 초래하는 특수 데이터 트래픽을 의도적으로 필터링 할 수 있기를 원했다. 예를 들어 차량 시동 시 또는 네트워크 종료 시 대부분의 경우 테스트 시스템과 무관한 에러 메시지가 대량으로 발생하기 때문이다.

온라인 및 오프라인 테스트에 적합한 성능
Excel 형식의 라우팅 테이블은 게이트웨이가 라우팅 할 모든 신호와 메시지를 보여준다. 각 줄은 하나의 라우팅 규칙에 부합하며 메시지의 라우팅 방법을 정의한다. 1:1로 라우팅 되는 메시지는 주기적 메시지, BAS 메시지 및 BAF 메시지 유형으로 구성된다. BAS 메시지(BAS = immediately on change)는 해당 ECU가 센서 등에서 입력 값이 변경되는 즉시 정상적인 주기적 전송 외에 추가로 전송하는 특수한 경우의 주기적 메시지이다. BAF 메시지(BAF = on active function)는 게이트웨이가 이벤트 발생 시 사이클 시간을 수정하지 않고 바로 라우팅 해야 하는 1:1 메시지이다. 또한 게이트웨이는 Rx 메시지(“결합 메시지”)라는 것을 생성하고 전송하기도 한다. 다른 수신 메시지로부터 받은 신호들을 가지고 메시지를 생성하고 전송하는 것이다. 각 Rx 메시지는 생성된 메시지에 이른바 “Aged Bit”라는 항목이 포함된다. 게이트웨이는 주기적인 수신 메시지에서 허용오차를 초과하는 지연이 발생했음을 감지하면 결합된 메시지를 라우팅 하기 전에 먼저 Aged Bit를 설정한다. 이 Aged Bit가 활성화되어 있으면 이 메시지가 그다지 유효하지 않다는 것을 의미한다.
사용자는 PETRA를 사용해 라우팅 테이블의 정보를 얻고 확장된 구성 테이블도 Excel 형식으로 자동으로 생성할 수 있다. 그런 다음 테스트 엔지니어는 이 툴을 사용해 게이트웨이 데이터 트래픽에서 분석할 메시지를 선택할 수 있다(그림 3). 첫 번째 열에서 라우팅 관계를 선택하면 테스트 생성기에서 테스트 구성을 만들 때 이 줄이 고려되며, 다른 모든 메시지는 이 테스트에서 무시된다. 뿐만 아니라 다양한 평가 제한 사항을 지정할 수 있다. 예를 들어 사이클 시간 모니터링에 대한 허용오차와 BAF 및 BAS 메시지에 대한 허용 게이트웨이 시간이 여기에 포함된다. 그런 다음 PETRA는 테스트를 실행하는데 필요한 모든 파일을 자동으로 생성한다(그림 4). XML 파일을 생성할 수가 있는데, 이 파일의 경우 CANoe Measurement Setup의 Trace 창에서 업스트림 할 때 사용할 수 있는 CAPL 필터 및 CAPL 테스트 라이브러리를 가지고 있다. CAPL 통과 필터는 생성된 모니터링 작업에 필요한 메시지만 통과시킨다. 이 기능은 CANoe 테스트 실행을 위한 기본 요구사항을 해결한다(그림 5). PETRA는 독립 실행형 툴이므로 사용자는 CANoe 라이선스를 설치하지 않고도 테스트 모듈을 작성할 수 있다.



자동차 제조업체에서 사용하는 용어로 작성되는 테스트 보고서
테스트가 실행되는 동안 테스트 시스템은 발생한 이벤트에 대해 상세한 보고서를 생성한다. 테스트 보고서는 게이트웨이 개발 전문가와 다른 기술 부서의 동료가 모두 동일하게 이해할 수 있도록 포르쉐의 특정 프로세스 및 용어에 최적화되어 있다. 특정 메시지 유형에 대하여 모든 데이터 복사 규칙 위반에 대한 검사가 원활하게 이뤄지며, 이는 상황에 따라 바이트 또는 신호 레벨에서 수행될 수 있다. 또한 주행 테스트를 위해 에러 발생 시 관련 메시지가 화면에 즉시 표시되도록 시스템을 구성할 수 있다. 그러면 조작 방식 및 주행 동작에 따른 라우팅 에러가 즉시 반복될 수 있다.
오프라인 테스트에서는 시험 주행 중 기록된 로그 파일이 CANoe의 재생 블록을 통해 재생된다. 한 가지 유용한 디버깅 기능은 추적 데이터의 에러 발생 지점으로 바로 이동할 수 있는 기능이다. 에러 전후에 발생하는 이벤트는 대개 에러의 원인에 대한 유용한 정보를 제공한다. 또한 에러 통계를 통해 에러의 빈도와 품질에 대한 중요한 지표를 얻을 수 있다. 예를 들어 에러가 계속 발생하는지 아니면 1,000 km마다 한 번만 발생하는지 또는 특정 사이클 시간에 대한 위반이 매우 큰지 아니면 평균에 비해 상대적으로 작은지에 대한 답을 제공할 수 있다.

요약 및 전망
포르쉐는 오랫동안 CANoe 툴을 사용해왔다. 기존 툴 체인은 2007년에 PETRA가 추가되면서 확장되고 계속 개선됐다. 개발자는 약간의 훈련만으로 PETRA를 사용할 수 있다. 실제 통신 데이터의 라우팅을 자동으로 분석하는 이 새로운 방식은 실험실 테스트의 자극 기반 테스트 시나리오를 보완한다. 포르쉐와 벡터는 새로운 게이트웨이 검증 시스템을 개발하기 위해 긴밀하게 협력해왔다. 이 툴로 인하여 Panamera의 ECU를 개발하는 동안 잠재적인 에러를 조기에 감지할 수 있게 됐으며 툴의 성숙도도 매우 높아졌다. 통신 데이터를 분석하는 데 소요되는 시간도 이전의 수동 디버깅에 비해 약 65% 단축됐다. 또한 생성기 방식을 통해 PETRA 개념을 미래의 자동차 시리즈 및 세대에 유연하게 적용할 수 있으며, 필요한 경우 FlexRay나 이더넷과 같은 다른 버스 시스템도 PETRA 개념에 통합할 수 있다.